Naturwissenschaftsunterricht transdisziplinär und integriert – eine Utopie? 8. Schweizer Forum Fachdidaktiken Naturwissenschaften – 24. Januar 2014

Gliederung Einleitung: Transdisziplinarität – Integrierter Unterricht Naturwissenschaftliche Grundbildung und Bildungsstandards Das Fach Naturwissenschaften (in NRW) Kontexteffekte Gendereffekte Gelungenes Beispiel: HIGHSEA-Projekt in Bremerhaven Unterrichtsmaterial Zusammenfassung und Ausblick Elke Sumfleth

Interdisziplinäres Arbeiten Voraussetzungen Fachkompetenz in der eigenen Disziplin und das Wissen um deren Stärken, Schwächen und Bedingtheiten Toleranz und Akzeptanz gegenüber anderen Disziplinen Wissen um die Handlungsformen anderer Disziplinen Teamkompetenz und kommunikative Kompetenz (Defila & Giulio,1996, S. 130) Interdisziplinarität ist ein herzustellender Zustand, eine spezifische, besonders voraussetzungsvolle Form wissenschaftlicher Kommunikation…, setzt einschlägiges disziplinäres Wissen voraus (Kaufmann, 1987, S.70) Elke Sumfleth

Von Multidisziplinarität zu Transdisziplinarität Mehrere Disziplinen ohne Wechselwirkungen parallel zueinander - normaler Stundenplan mit unterschiedlichen Fächern Interdisziplinarität Interaktionen zwischen den beteiligten Disziplinen Transdisziplinarität Wechselbeziehungen zwischen den beteiligten Disziplinen führen zu inhaltlichen Veränderungen, Verschiebung von Disziplingrenzen oder neuen Disziplinen Erfordert gemeinsame Fragestellung, Theorien, Methoden und Kriterien der Wissenschaftlichkeit, gemeinsame Sprache Elke Sumfleth

Naturwissenschaftsunterricht transdisziplinär und integriert Fachüberschreitend Einbringen von Erkenntnissen aus einem anderen Fach Fächerverknüpfend Konzepte aus unterschiedlichen Fächern werden durch curriculare Absprachen systematisch verbunden Themenzentriert Betrachtung eines übergeordneten Themas aus den unterschiedlichen Perspektiven der einzelnen Fächer Integriert Integrierte Entwicklung naturwissenschaftlicher Begriffe Zeigt Parallelitäten zu Transdisziplinarität Geeignet für naturwissenschaftliche Grundbildung? Elke Sumfleth

Naturwissenschaftliche Grundbildung Unterscheidung von Konzepten und Prozessen Naturwissenschaftliche Grundbildung (nach PISA) Naturwissenschaftliches Wissen anwenden Naturwissenschaftliche Fragen erkennen Schlussfolgerungen ziehen Umgehen mit Evidenzen Kommunizieren von naturwissenschaftlichen Inhalten Enge Verzahnung der drei naturwissenschaftlichen Fächer durch gemeinsame Ziele und Arbeitsweisen Fortsetzung des Sachunterrichts der Primarstufe Nationale Bildungsstandards Prozessbezogene Kompetenzen Elke Sumfleth

Nationale Bildungsstandards Gemeinsame Kompetenzbereiche für die drei naturwissenschaftlichen Fächer Fachwissen Erkenntnisgewinnung Kommunikation Bewertung Sind die Kompetenzbereiche fachspezifisch oder naturwissenschaftsübergreifend? Elke Sumfleth

Fachabhängigkeit der Bewertungskompetenz Biologie Stichprobe: 777 SchülerInnen Deviance: 16015.62 Separation Reliability: .994 EAP/PV Reliability: Dim 1(außerfachlich): .47 Dim 2 (Chemie): .68 Dim 3 (Biologie): .65 Personenparameter Dim 1: -2.76 – 4.47, MW: 2.04 Dim 2: -5.59 – 4.27, MW: .21 Dim 3: -4.81 – 5.44, MW: .51 .77 ≤ MNSQ ≤ 1.20 -3.5 ≤ T-Value ≤ 2.3 außerfachlich Chemie (Hostenbach & Walpuski, 2013) jedes,X‘ steht für 4.9 Fälle Elke Sumfleth

Latente Korrelationen Bei insgesamt niedrigen bivariaten Korrelationen (<.3) sind diejenigen zur außerfachlichen Anwendung von Bewertungsstrategien, zum Umgang mit Fachwissen und zu den kognitiven Fähigkeiten am größten. Bewertungskompetenz ist abhängig von der Situation – fachspezifisch Schüler(innen) können besser außerfachlich Bewertungsstrategien nutzen als in Chemie/Biologie Was bedeutet das für ein Unterrichtsfach Naturwissen- schaft? (Hostenbach & Walpuski, 2013) Außerfachlich Chemie Biologie 1 .547 .672 .889 9 Elke Sumfleth

Das Fach ,Naturwissenschaft‘ (NRW)

Das Fach ,Naturwissenschaft‘ (NRW) Erprobungsphase des Fachs Naturwissenschaft in NRW (Schuljahre 2003/2004 und 2004 /2005; > 70 Gymnasien; Jahrgangsstufen 5 und 6) Integration chemischer, biologischer & physikalischer Inhalte Grundlegende Ziele Anschlussfähige naturwissenschaftliche Grundbildung Ganzheitliche Wahrnehmung naturwissenschaftlicher Phänomene Interessenförderung Prozess- und konzeptbezogene Kompetenzen eingebunden in verpflichtende Rahmenthemen Elke Sumfleth

Projekt Vergleich der beiden unterschiedlichen Unterrichtstypen Naturwissenschaft versus Einzelfächer (Biologie und Physik) : Fachwissen Chemie Naturwissenschaftliche Arbeitsweisen Interesse und Selbstkonzept (Biologie, Physik und Chemie) Unterrichtsmethoden des differenzierten und integrierten Naturwissenschaftsunterrichts Design Ca. 600 Schülerinnen und Schüler aus 21 Klassen (21 Lehrkräfte) (ca. 300 Probandinnen und Probanden pro Gruppe) Elke Sumfleth

Ergebnisse mit Blick auf den Unterricht Forschungsfragen Werden in einem integrierten Naturwissenschaftsunterricht andere Unterrichtsformen und –methoden fokussiert? Beeinflusst das Studienfach der Lehrkraft im integrierten Naturwissenschaftsunterricht das fachliche, hier chemiebezogene Wissen der Schülerinnen und Schüler? Elke Sumfleth

Angaben zum Unterricht (Walpuski , geb. Klos & Sumfleth, 2012)

Experimentelles Arbeiten (Klos, 2008) Elke Sumfleth

Fachwissen Chemie integrierte Unterrichtsform – Lehrkraft * (Klos, 2008) Elke Sumfleth

Ergebnisse des Lehrerfragebogens Die meisten beteiligten Lehrkräfte waren Biologielehrkräfte, keine Physiklehrkraft Liste der Schwierigkeiten kein geeigneter Unterrichtsraum kein geeignetes Schulbuch erhöhter Materialaufwand erhöhter Zeitaufwand: Einarbeitung in fachfremde Themengebiete erfordert Absprachen mit Kolleginnen und Kollegen und Fortbildungen  Die Umsetzung war sicherlich suboptimal Elke Sumfleth

Effektbezogene Hypothesen und Forschungsfragen Schülerinnen und Schüler, die zwei Jahre in dem Fach Naturwissenschaft unterrichtet worden sind… beherrschen grundlegende naturwissenschaftliche Arbeitsweisen besser besitzen mehr allgemein prozessbezogene Kompetenzen erlernen mehr chemisches Fachwissen Weitere Forschungsfragen Mindert oder stärkt das Fach Naturwissenschaft das Interesse an den Fächern Biologie, Physik und Chemie? das Selbstkonzept in den Fächern Biologie, Physik und Chemie? Profitieren Mädchen oder Jungen unterschiedlich stark von einem integrierten Naturwissenschaftsunterricht? Elke Sumfleth

Mögliche Ursachen für die Interessenseffekte? Ergebnisse Schülerinnen und Schüler, die zwei Jahre in dem Fach Naturwissenschaft integriert unterrichtet worden sind… beherrschen grundlegende naturwissenschaftliche Arbeitsweisen nicht besser (NAW-Test) besitzen nicht mehr allgemein prozessbezogene Kompetenzen verfügen nicht über mehr chemisches Fachwissen haben kein höheres naturwissenschaftliches Selbstkonzept zeigen aber ein höheres Fachinteresse zu Beginn der 7. Klasse als die Kontrollgruppe. (Klos, 2008) Mögliche Ursachen für die Interessenseffekte? Elke Sumfleth

Exkurs: Kontexteffekte Elke Sumfleth

Kontexteffekt: Situationales Interesse Haupteffekt des Kontextes auf das situationale Interesse: F(2,153) = 5.95; p = .003, partielles ² = .072 Effekte Inhalt (a) > Effekte Inhalt (b) Probanden stufen Inhalt (b) auch im nicht lebensweltlichen Kontext als interessant ein Zugunsten des lebensweltlichen Kontexte Inhalt F-Wert p-Wert Effektstärke a (Struktur und Löslichkeit von Salzen) 11.47 .001 partielles ² =.069 b (Struktur und Eigenschaft von Wasser) 5.37 .034 partielles ² =.032  Wasser ist gleichzeitig Kontext und Inhalt (Kölbach & Sumfleth, 2013) Elke Sumfleth

Kontexteffekt: Situationales Interesse Chemie versus Biologie Haupteffekt des Kontextes auf das situationale Interesse: F(3,134) = 3.61; p = .015, partial ² = .075 Effekte Inhalt (a) > Effekte Inhalt (b) > Effekte Inhalt (c) Probanden stufen Inhalt (b) und (c) auch im nicht lebenswelt- lichen Kontext als interessant ein Inhalt F-Wert p-Wert Effektstärke a (Struktur und Löslichkeit von Salzen) 9.12 .003 partielles ² = .063 b (Struktur und Eigenschaft von Wasser) 4.05 .046 partielles ² = .029 c (Hormone) 3.55 .062 partielles ² = .025 (Kölbach & Sumfleth, 2013) Elke Sumfleth

Kontextorientierung und Relevanz Haupteffekt des Kontextes auf die empfundene Relevanz des Themas: F(3,129) = 7.90; p < .001, partielles ² = .155 Effekte nur durch Inhalt (a) hervorgerufen: F(1,131) = 21.76; p < .001, partielles ² = .141 Inhalte (b) und (c) werden auch im nicht lebensweltlichen Kontext als relevant eingestuft  Kein Haupteffekt: F(1,131) < 1 Elke Sumfleth

Schlussfolgerungen Effekte des Kontextes hängen auch vom Inhalt ab. Lässt sich diese Idee auf das Fach Naturwissenschaft übertragen? Vermutung: je weiter entfernt Kontext und Inhalt sind, desto größer ist der Interessenseffekt desto größer ist der Effekt auf die Relevanz Inhalt Inhalt Kontext Kontext Salze Wasser Ahmed & Pollitt Elke Sumfleth

Zurück zum Unterrichtsfach Naturwissenschaft Gendereffekte Elke Sumfleth

Gendereffekte Sachinteresse Selbstkonzept Fachinteresse (Klos, 2008) Elke Sumfleth

Interessenentwicklung in Klasse 7 (Klos, 2008) Elke Sumfleth

Gendereffekte – Unterrichtsfach Naturwissenschaft Interaktionseffekt (signifikant) p = .014 F(1; 567) = 6.054, Eta² = .011 Ende der Klasse 7 ist der Interaktions- effekt nicht mehr nachweisbar, aber Mädchen besser als Jungen Parallele Entwicklung im Laufe der Klasse 7 (Klos, 2008; Klos, Henke, Kieren, Walpuski & Sumfleth, 2008) Elke Sumfleth

Ein weiteres Beispiel: Das HIGHSEA-Projekt in Bremerhaven

HIGHSEA-Projekt am AWI in Bremerhaven Das HIGHSEA-Projekt HIGHSEA-Projekt am AWI in Bremerhaven 22 Schülerinnen und Schüler des 11. Jahrgangs werden in 2½ Jahren in den Fächern Biologie (LK), Chemie, Mathematik und Englisch in einem themenzentrierten, fächerübergreifenden Projektunterricht zum Abitur geführt. Ziele des Projekts Nachhaltige Förderung der naturwissenschaftlichen Fähigkeiten Unterstützung des Interesses Nachwuchsförderung Hypothese Höhere experimentell-naturwissenschaftliche Fähigkeiten der Projekt- gruppe als bei vergleichbaren Schülerinnen und Schülern in Bremerhaven Elke Sumfleth

Parallelisierung über Motivation & Interesse Design der Evaluation HIGHSEA Schüler/innen N=21 Vergleichs- schüler/innen N= 21 von ca.180 Parallelisierung über KFT TIMSS Motivation & Interesse Vergleich der Gruppen (pre-post) hinsichtlich naturwissenschaftlicher/experimenteller Kompetenz Motivation und Interesse an den Naturwissenschaften Fachwissen Elke Sumfleth

Veränderung der NAW-Testergebnisse über ein Schuljahr Haupteffekte Gruppenzugehörigkeit p < .05 F(1;36) = 5,774 Eta² = .138 Messzeitpunkt p < .001 F(1;36) = 52,166 Eta² = .592 Interaktionseffekt: Gruppe * Messzeitpunkt p = .001 F(1;36) = 13,932 Eta² = .279 Elke Sumfleth

Sind die Schüler zu jung?

Raschanalyse (ConQuest) Gesamtsample (N=1134) Wissen über naturwissenschaftlich- experimentelles Arbeiten – Jahrgangsstufe 5 Raschanalyse (ConQuest) Gesamtsample (N=1134) EAP / PV Reliabilität =.766 Varianz: 1.347 119 von 140 Items: 0.75 < weighted MNSQ < 1.2 -2 < T-Wert < +2 discrimination über .20 Modellpassung gegeben Test ist tendenziell zu schwierig für das Gesamtsample (Mannel, Walpuski & Sumfleth, eingereicht) Elke Sumfleth

Ergebnisse für das Gymnasium und Hauptschule Nachkonstruktion leichterer Items Einsatz der Aufgaben in der siebten Jahrgangsstufe (Mannel, Walpuski & Sumfleth, eingereicht) Elke Sumfleth

Ergebnisse einer Folgestudie in Jahrgangsstufe 7 Gymnasium Gesamtsample Hauptschule Kriterien für den Ausschluss von Items: Lösungswahrscheinlichkeit Fit/ Werte/ T-Werte Wie verschiebt sich die Grafik (wer kommt noch dazu) Geplant Items für den unteren Bereich entwickeln (Mannel, 2011) Elke Sumfleth

Unterrichtsmaterial für den integrierten Anfangsunterricht

Prinzipien der Materialentwicklung Berücksichtigung der vier Kompetenzbereiche der nationalen Bildungsstandards Berücksichtigung der Vorgaben der Bundesländer Schülerarbeitsmaterial und Lehrerbegleitbögen Farbliche und symbolische Markierung der Materialien mit Blick auf die zu fördernden Kompetenzen (Hübinger, Emden, & Sumfleth, 2009) Elke Sumfleth

Unterschiedliche Kompetenzbereiche Kompetenzbereich Fachwissen Inhaltsbereiche zum Thema Wasser Breite Abstimmung auf curriculare Vorgaben Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung Unterschiedlich eng geführte Schülerexperimente Strukturierungstraining Kompetenzbereich Kommunikation Fokussierung auf Lesen und Konstruieren schematischer Darstellungen Kompetenzbereich Bewertung Erste Schritte zur Bewertung: Individuelle Betroffenheit Unterschiedliche Perspektiven (Emden & Sumfleth, 2009) ME: Zum Vergleich zu ‚Mein Köper‘ und ich auf Weltreise – was bleibt, was wird ausgebaut und wenn: wie? Hinweise zu den curricularen Vorgaben und dem Strukturierungstraining – sind für die ‚Hinterhand‘, folgen also bestenfalls in der Diskussion und sind dem Foliensatz angefügt. Im Folgenden werden die ersten beiden Kompetenzbereiche ausgegraut und die beiden letzten in Beispielen fokussiert Elke Sumfleth

Zusammenfassung Fächer versus Naturwissenschaften Formale Rahmenbedingungen Änderung von Organisationsstrukturen und Inhalten Lehrerausbildung - Überwiegend fachfremd erteilter Unterricht Chemieunterricht  Physikunterricht  Biologieunterricht Konsequenzen für Unterricht Komplexität der Problemsituation – cognitive load - Interesse Akzentuierung der Unterschiede versus Erkennen von Gemeinsamkeiten Exemplarisch versus systematisch Horizontale versus vertikale Vernetzung Aber: Unterrichtsqualität vermutlich wichtiger als die Auswahl inhaltlicher Beispiele Elke Sumfleth

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Vielen Dank für die erfolgreiche Zusammenarbeit Markus Emden Eva Kölbach Christian Henke Susanne Mannel Julia Hostenbach Maik Walpuski Regina Hübinger Silke Walpuski, geb. Klos Vielen Dank für die finanzielle Unterstützung nwu-essen Entwicklung der FG + GK Materialien Kontakt: elke.sumfleth@uni-due.de www.nwu-essen.de http://www.uni-due.de/ chemiedidaktik/ 09_forschung_agsumfleth.shtml elke.sumfleth@uni-due.de